Qual a importância dos diodos para a segurança dos sistemas de armazenamento de energia?

1, proteção anti-reversa de carregamento: uma barreira física que bloqueia o refluxo de energia
Nos sistemas de armazenamento de energia fotovoltaica, os diodos de carga anti-reversa (diodos de bloqueio) são conectados em série entre o conjunto fotovoltaico e a bateria. Sua principal função é evitar que a bateria seja descarregada através do conjunto fotovoltaico à noite ou em dias chuvosos. Quando a tensão de saída do módulo fotovoltaico é inferior à tensão do barramento CC, sem diodos de carregamento anti-reverso, a energia da bateria formará um circuito através da junção PN do conjunto fotovoltaico, fazendo com que o módulo aqueça ou até queime.

Caso típico: Uma estação de energia fotovoltaica no deserto não conseguiu instalar diodos de carregamento anti-reverso. Após uma tempestade de areia de três{1}}dias, a temperatura do conjunto fotovoltaico subiu anormalmente para 85 graus, levando a um acidente de derretimento da caixa de junção. Após o teste, a corrente reversa atingiu 2,3 ​​vezes a corrente normal de operação, fazendo com que a fita de solda interna do componente derretesse.

Otimização técnica: Os sistemas modernos de armazenamento de energia usam diodos Schottky com baixa queda de tensão direta (Vf<0.3V), which can reduce energy loss by 1.2% compared to traditional silicon diodes (Vf ≈ 0.7V). For example, Infineon's CoolSiC ™ Schottky diodes can still maintain reverse leakage current<1 μ A at high temperatures of 150 ℃, which is three orders of magnitude lower than silicon-based devices.

2, proteção de desvio: interruptor inteligente para resolver o efeito de ponto quente
No circuito série de módulos fotovoltaicos, os diodos de bypass são conectados em paralelo nas duas extremidades de um único módulo. Quando o módulo está bloqueado ou com defeito, os diodos conduzem para formar um desvio de corrente, evitando que outros componentes normais sejam submetidos à polarização reversa. Se houver falta de proteção de bypass, o componente obstruído consumirá a energia gerada por outros componentes como carga, resultando em altas temperaturas locais (até 200 graus ou mais) e causando o “efeito de ponto quente”.

Failure analysis: A module fire accident occurred at a certain offshore photovoltaic power station. Investigation found that due to improper selection of bypass diodes (reverse recovery time Trr>200ns), os diodos não conseguiram conduzir em tempo hábil sob a rápida mudança da cobertura de nuvens, resultando na queima das células da bateria interna do módulo.

Evolução tecnológica: a aplicação de materiais semicondutores de terceira{0}}geração melhorou significativamente o desempenho dos diodos de bypass. O módulo de bypass GaN HEMT da Cree reduziu o tempo de recuperação reversa para dentro de 10ns e pode suportar uma tensão reversa de 1000V, tornando-o adequado para otimização inteligente de strings em grandes usinas terrestres.

3, Proteção contra sobretensão: uma resposta rápida a choques transitórios
Os sistemas de armazenamento de energia são propensos a sobretensões transitórias durante comutação entre rede e fora da rede, quedas de raios e outros cenários. Os diodos TVS (supressão de tensão transitória) fixam a tensão em uma faixa segura com velocidade de resposta em milissegundos. Os principais parâmetros incluem:

Tensão de ruptura reversa (Vbr): deve ser 10% -20% maior que a tensão máxima de operação do sistema
Potência de pulso de pico (Pppm): determina a capacidade de resistência a surtos
Tensão de fixação (Vc): reflete o efeito de proteção real
Exemplo de aplicação: O sistema de armazenamento de energia Tesla Powerwall adota o diodo TVS SMBJ15CA da Dongwo Electronics, com Pppm=600W e Vc=18V, que pode efetivamente suprimir a tensão de surto de 24V no sistema de 12V. No teste de fuga térmica UL9540A, esta solução reduziu o aumento da temperatura da superfície do módulo de bateria em 42%.

4, Supressão de fuga térmica: a última linha de defesa para a segurança do sistema
Em sistemas de armazenamento de energia de bateria de-íon de lítio, diodos e BMS (sistema de gerenciamento de bateria) trabalham juntos para formar uma proteção de três-níveis contra fuga térmica:

Proteção de primeiro nível: Quando o sensor de temperatura detecta uma anormalidade, o BMS corta o circuito de carga através do MOSFET
Proteção secundária: Se o MOSFET falhar, o diodo TVS aciona o mecanismo de fusível
Proteção de terceiro nível: ligação entre a válvula de alívio de explosão e o sistema de extinção de incêndio por aerossol
Suporte de dados: O teste do módulo de bateria de armazenamento de energia do Ningde Times mostra que o esquema de proteção composto do diodo SiC MOSFET + TVS pode reduzir a velocidade de propagação da fuga térmica de 0,5 m/s para 0,02 m/s e se esforçar para mais de 10 vezes o tempo de resposta do sistema de proteção contra incêndio.

5, Otimização do nível do sistema: inovação dos componentes à arquitetura
Design integrado: O sistema de armazenamento de energia SmartLi 3.0 lançado pela Huawei Digital Energy integra diodos de carga anti-reversa, fusíveis e contatores na unidade de controle BMS, reduzindo o volume em 35% e a taxa de falhas em 60%.
Tecnologia de diagnóstico inteligente: o sistema de armazenamento de energia PowerStack da Sunac Power usa algoritmos de IA para analisar alterações na corrente de fuga do diodo, que pode prever o risco de fuga térmica com 48 horas de antecedência com uma taxa de falsos alarmes inferior a 0,1%.
Coordenação de controle de temperatura de resfriamento líquido: O sistema de armazenamento de energia BYD Cube adota tecnologia de resfriamento líquido, que estabiliza a temperatura de trabalho do diodo abaixo de 45 graus e reduz a corrente de fuga reversa em 78% em comparação com o esquema de resfriamento de ar.
6, Padrões e Certificação: Garantia Quantitativa de Segurança
Os principais padrões internacionais de segurança têm requisitos claros para diodos:

UL 9540: Requer sistemas de armazenamento de energia para manter o isolamento a 1,5 vezes a tensão reversa nominal
IEC 62619: Os diodos TVS são obrigados a passar na forma de onda de 8/20 μ s e no teste de surto de 5 kA
GB/T 36547: Requisitos para desvio de queda de tensão direta do diodo de carregamento anti-reverso menor ou igual a 5%
Prática de certificação: O sistema de armazenamento de energia ESS da LG New Energy obteve a certificação UL9540A. Ele usa módulos IGBT Infineon 1200V com diodos TVS{3}}integrados para limitar a sobretensão de 1200V a 800V em 10 segundos.